CN105928627B - 一种消除制冷型热像仪画面复现非均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，包括以下步骤：(1)确定本方法的实施硬件环境：红外热像仪、面源黑体、传感器、上位计算机；(2)定位来源；(3)红外热像仪正常上电；(4)参数采集；(5)进行数学模型建立和校正参数的计算、存储；(6)在红外探测机芯组件中设置消除复现非均匀性的校正模块；(7)去除传感器、面源黑体、上位计算机；(8)重启红外热像仪。经校正后的输出图像画面清晰、动态范围高、各像素对同样辐射响应均匀，可弥补由内部杂散辐射等因素造成的图像缺陷，具备长时间工作不复现图像非均匀性的特性，可提高制冷型热像仪对工作环境的适应能力。
Description
技术领域
本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法。
背景技术
红外成像技术是将目标视场内各物体表面因温度或发射率不同而产生的红外辐射差异转化为可见图像的技术。在军事领域，红外成像广泛应用于对军事目标的搜索、观瞄、侦察、识别与跟踪；对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外成像的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统、进行光电对抗等。
制冷型红外热像仪具有更高的温度敏感性和精度，得到了最广泛的应用。在红外成像过程中广泛存在图像非均匀性，不仅影响图像的清晰度和灵敏度，而且也大大地限制了红外热像仪的动态范围。以下因素会导致红外图像的非均匀性：
1)由于工艺水平和其它因素的限制，红外焦平面探测器中每个光敏元的响应度不可能完全一致，其直流偏置也不同，探测元件中电荷包具有不同传输损耗等，这些差别使成像系统即使在均匀的目标辐射下，形成的图像亮度也不一样。
2)同时，由于光学系统设计的成像能量分布不均也会带来成像的差异。
3)制冷型热像仪杜瓦内低温器件持续工作在80K左右的低温下，低温器件经光学系统成像反射在焦平面上成像，形成黑斑。
经过常规的基于定标或场景的非均匀性校正算法，可以一定程度上消除红外图像的非均匀性。但是随着使用时间的增长和工作环境温度的提升，红外图像会重新出现具备特定样式的非均匀性。针对此复现的非均匀性，目前对其机理没有较深入研究，也未提出有效的可行的解决方法。
杂散辐射，也称为杂光，是指扩散于光学系统像面或者探测器接收面上的非目标光线或非成像光线辐射能。红外成像系统中杂散辐射一般可以分为外部杂散辐射、内部杂散辐射和镜面缺陷造成的散射等三种类型。其中内部杂散辐射指内部器件表面自发辐射传输到探测器表面。内部杂散辐射是红外图像复现非均匀性的主导诱因。使用LightTools软件工具，基于蒙特卡洛方法，对光线进行追迹分析，是一种常见的杂光分析方法。对内部杂散光的分析可以定性的为消除复现非均匀性提供理论支持。
因此，亟需研制一种基于对内部杂散光分析的消除制冷型热像仪成像复现非均匀性方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性方法，从而消除在制冷型红外热像仪工作中的红外图像复现非均匀性。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，包括以下步骤：
(1)确定本方法的实施硬件环境：红外热像仪、面源黑体、传感器、上位计算机；
(2)定位来源：根据红外热像仪中机芯组件的光学和结构参数，按照光线逆向追迹和正向追迹的方法定位复现非均匀性的辐射源，确定杂散光辐射区域；
(3)红外热像仪正常上电，进行常规两点校正和盲元替换；设置面源黑体温度，使红外热像仪镜头正对面源黑体；
(4)参数采集：在红外热像仪内部设置传感器，传感器的设置位置和数量根据系统属性确定；
利用GPIO端口将传感器数据采集至红外热像仪处理电路中的FPGA中；
将上位计算机编写的采集、传输程序烧写在FPGA中，以帧为单位，建立当前图像和当前温度的一一对应关系，同时按照时间戳顺序，通过lvds接口芯片，实时将系统设定的工作参数和图像传输给上位计算机；
(5)进行数学模型建立和校正参数的计算、存储；
上位计算机根据按照固定帧频，采集系统设定时间的工作参数和对应的实时图像，之后进行图像处理和模型构建，利用构建的模型生成杂散辐射校正系数查找表，实现实时红外视频通路中的复现非均匀性校正消除；
将杂散辐射校正系数查找表存储入FPGA片上的RAM和片外的FLASH中，并固化杂散辐射校正系数查找表；杂散辐射校正系数查找表的输入为当前工作温度和当前工作时间，输出为像素灰度校正系数参数；
(6)在红外探测机芯组件中设置消除复现非均匀性的校正模块，校正模块的功能为实时获取当前工作参数值，访问存储的杂散辐射校正系数查找表以获得校正系数，使用此系数进行图像修正，完成实时校正。
(7)去除传感器、面源黑体、上位计算机；
(8)重启红外热像仪。
进一步的，如上所述的一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，步骤(1)中，红外热像仪中的机芯组件用于红外图像信号读出、常规非均匀性校正、盲元替换、图像增强处理；该方法的运行平台是红外热像仪机芯组件上基于FPGA和Nios软核实现的SOPC系统。
进一步的，如上所述的一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，步骤(2)中，逆向追迹将红外焦平面阵列作为光源，反向分解出造成杂散辐射的内部器件，正向追迹通过设定这些杂散辐射器件的辐射特性，估算最终由探测器接收到的二维辐射强度分布图。
进一步的，如上所述的一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，步骤(3)中，控制红外热像仪镜头和面源黑体之间的距离小于20mm。
进一步的，如上所述的一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，步骤(5)中，工作参数包括工作温度以及开机时间。
进一步的，如上所述的一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，步骤(5)通过一套基于VC+Matlab混合编程的功能软件实现：
图像处理包括首先对图像进行平台直方图均衡处理；其次按照定位的杂散辐射来源区域进行图像分割；再次进行有杂散辐射区域和无杂散辐射区域的图像灰度均值提取；
模型构建的具体方式是进行图像均值和工作温度以及开机时间关系的曲线拟合，建立复现非均匀性现象的图像与工作温度以及开机时间之间的数学模型。
与传统方式比较，本发明技术方案的有益效果如下：
本发明提出的方法对红外图像复现非均匀性进行定性分析、模型构建和定量消除，经校正后的输出图像画面清晰、动态范围高、各像素对同样辐射响应均匀，可弥补由内部杂散辐射等因素造成的图像缺陷，具备长时间工作不复现图像非均匀性的特性，避免复现非均匀性导致图像中感兴趣目标被淹没无法识别等故障，可提高制冷型热像仪对工作环境的适应能力。
附图说明
图1为本方法的实施硬件环境示意图。
图中：1面源黑体、2红外热像仪、3红外热像仪中的机芯组件、4传感器、5上位计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，本发明提出方法的实施时机是，使用制冷型红外热像仪成像过程中，校正后随时间重新出现非均匀性的情况。具体包括以下步骤：
(1)确定本方法的实施硬件环境：红外热像仪、面源黑体、传感器、上位计算机；
(2)定位来源：光学系统内部杂散辐射经过光学系统最终在红外焦平面阵列(IRFPA)上形成不均匀的辐射强度分布。在辐射能量不变时，经过常规非均匀性校正，可以用校正的漂移系数予以修正，当探测器工作参数变化导致辐射能量发生变化时，此分布产生新的变化，造成图像复现非均匀性。
根据红外热像仪中机芯组件的光学和结构参数，按照光线逆向追迹和正向追迹的方法定位复现非均匀性的辐射源，确定杂散光辐射区域；红外热像仪中的机芯组件用于红外图像信号读出、常规非均匀性校正、盲元替换、图像增强处理；该方法的运行平台是红外热像仪机芯组件上基于FPGA和Nios软核实现的SOPC系统。在本实施例中，逆向追迹将红外焦平面阵列作为光源，反向分解出造成杂散辐射的内部器件，正向追迹通过设定这些杂散辐射器件的辐射特性，估算最终由探测器接收到的二维辐射强度分布图。
(3)红外热像仪正常上电，进行常规两点校正和盲元替换；设置面源黑体温度，使红外热像仪镜头正对面源黑体；控制红外热像仪镜头和面源黑体之间的距离小于20mm。
(4)参数采集：在红外热像仪内部设置传感器，传感器的设置位置和数量根据系统属性确定；
由大量实验证明，复现非均匀性与热像仪内部各器件工作参数变化有关。为获得对应某工作参数的复现非均匀性图像，本方法利用GPIO端口将传感器数据采集至红外热像仪处理电路中的FPGA中；
将上位计算机编写的采集、传输程序烧写在FPGA中，以帧为单位，建立当前图像和当前温度的一一对应关系，同时按照时间戳顺序，通过lvds接口芯片，实时将系统设定的工作参数和图像传输给上位计算机；
(5)进行数学模型建立和校正参数的计算、存储；
上位计算机根据按照固定帧频，采集系统设定时间的工作参数和对应的实时图像，之后进行图像处理和模型构建，利用构建的模型生成杂散辐射校正系数查找表，实现实时红外视频通路中的复现非均匀性校正消除；
将杂散辐射校正系数查找表存储入FPGA片上的RAM和片外的FLASH中，并固化杂散辐射校正系数查找表；杂散辐射校正系数查找表的输入为当前工作温度和当前工作时间，输出为像素灰度校正系数参数；
在本实施例中，工作参数包括工作温度以及开机时间。步骤(5)通过一套基于VC+Matlab混合编程的功能软件实现：图像处理包括首先对图像进行平台直方图均衡处理；其次按照定位的杂散辐射来源区域进行图像分割；再次进行有杂散辐射区域和无杂散辐射区域的图像灰度均值提取；模型构建的具体方式是进行图像均值和工作温度以及开机时间关系的曲线拟合，建立复现非均匀性现象的图像与工作温度以及开机时间之间的数学模型。
(6)在红外探测机芯组件中设置消除复现非均匀性的校正模块，校正模块的功能为实时获取当前工作参数值，访问存储的杂散辐射校正系数查找表以获得校正系数，使用此系数进行图像修正，完成实时校正。
(7)去除传感器、面源黑体、上位计算机；
(8)重启红外热像仪。
Claims (1)
1.一种消除制冷型热像仪成像复现非均匀性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)确定本方法的实施硬件环境：红外热像仪、面源黑体、传感器、上位计算机；
(2)定位来源：根据红外热像仪中机芯组件的光学和结构参数，按照光线逆向追迹和正向追迹的方法定位复现非均匀性的辐射源，确定杂散光辐射区域；
(3)红外热像仪正常上电，进行常规两点校正和盲元替换；设置面源黑体温度，使红外热像仪镜头正对面源黑体；
(4)参数采集：在红外热像仪内部设置传感器，传感器的设置位置和数量根据系统属性确定；
利用GPIO端口将传感器数据采集至红外热像仪处理电路中的FPGA中；
将上位计算机编写的采集、传输程序烧写在FPGA中，以帧为单位，建立当前图像和当前温度的一一对应关系，同时按照时间戳顺序，通过lvds接口芯片，实时将系统设定的工作参数和图像传输给上位计算机；
(5)进行数学模型建立和校正参数的计算、存储；
上位计算机根据按照固定帧频，采集系统设定时间的工作参数和对应的实时图像，之后进行图像处理和模型构建，利用构建的模型生成杂散辐射校正系数查找表，实现实时红外视频通路中的复现非均匀性校正消除；
将杂散辐射校正系数查找表存储入FPGA片上的RAM和片外的FLASH中，并固化杂散辐射校正系数查找表；杂散辐射校正系数查找表的输入为当前工作温度和当前工作时间，输出为像素灰度校正系数参数；
步骤(5)中，工作参数包括工作温度以及开机时间；步骤(5)通过一套基于VC+Matlab混合编程的功能软件实现：
图像处理包括首先对图像进行平台直方图均衡处理；其次按照定位的杂散辐射来源区域进行图像分割；再次进行有杂散辐射区域和无杂散辐射区域的图像灰度均值提取；
模型构建的具体方式是进行图像均值和工作温度以及开机时间关系的曲线拟合，建立复现非均匀性现象的图像与工作温度以及开机时间之间的数学模型；
(6)在红外探测机芯组件中设置消除复现非均匀性的校正模块，校正模块的功能为实时获取当前工作参数值，访问存储的杂散辐射校正系数查找表以获得校正系数，使用此系数进行图像修正，完成实时校正；
(7)去除传感器、面源黑体、上位计算机；
(8)重启红外热像仪。
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| 一种自适应红外图像非均匀型校正方法及其FPGA实现;杜丽等;《红外》;20110630;第32卷(第6期);第16页左栏第2段到第17页右栏倒数第2段，图1 |
| 基于Lighttools和Matlab的内辐射杂光分析方法研究;杨加强等;《激光与红外》;20140831;第44卷(第8期);第888页左栏第1段到第889页右栏第1段，图1 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105928627A (zh) | 2016-09-07 |
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